CN111937237A - 单极化和双极化双谐振背腔式缝隙天线(d-cbsa)元件 - Google Patents

单极化和双极化双谐振背腔式缝隙天线(d-cbsa)元件 Download PDF

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Abstract

描述了一种天线元件。该天线元件包括：具有基座和导电板的壳体；以及馈电元件。壳体具有在基座与导电板之间形成的空腔。导电板具有辐射缝隙，该辐射缝隙的长度和宽度分别沿着第一轴和第二轴纵向地延伸。辐射缝隙沿着第一轴具有第一边缘和第二边缘。馈电元件具有馈电点、馈电线和短截线。馈电线沿着导电板的第二轴延伸跨过辐射缝隙的宽度，使得馈电线的第一端与辐射缝隙的一侧上的馈电点耦合并且馈电线的第二端延伸超过第二边缘，并且短截线在馈电线的横向上延伸。

Description

单极化和双极化双谐振背腔式缝隙天线(D-CBSA)元件
技术领域
本发明的实施例涉及天线领域；并且更具体地涉及缝隙天线。
背景技术
随着移动数据业务的快速增长，需要一种更加高效的能提供更高的数据速率和更出色的频谱利用率的无线电技术。无线电***(例如5G)的最新发展成果是利用小型天线元件来实现非常高的数据速率、非常低的延迟、超高的可靠性、节能和极高的设备密度。
通常情况下，小型无线电元件被制造成具有一层或多层，其中薄导体(例如，金属)位于介电基板上。这些天线元件的制造过程类似于印刷电路板(PCB)的制造过程。
贴片天线元件是可以用于在无线电天线中实现高频的示例性元件。贴片天线元件在介电基板顶部具有辐射元件。为了使贴片天线宽带化，期望的是使辐射元件的高度在接地平面上方尽可能地大。但是，在贴片天线元件中，如果辐射元件相对于自由空间波长的高度较大的话(例如，约为
Figure BDA0002709367430000011
或更大)，那么，表面波和反射波就会在介电基板中传播，对多个贴片天线元件之间的相互耦合产生影响。当无线电天线的贴片天线元件之间的间距大于0.5个波长时，这种相互耦合会导致扫描盲区。扫描盲区会产生在某些扫描角度下功率传输很少或者完全没有的效果，因此不希望出现扫描盲区。
背腔式缝隙天线是能够克服在贴片天线中发现的相互耦合及扫描盲区问题的天线元件的示例。在几种缝隙天线设计中，馈电元件位于薄介电基板上的辐射器元件上方。例如，“Inverted Microstrip-Fed Cavity-Backed Slot Antennas，Quan Li，电气电子工程师学会(IEEE)天线和传播，2002年；”以及“Wideband LTCC 60-GHz antenna array with adual-resonant slot and patch structure，Kuo-Sheng Chin，电气电子工程师学会天线和传播汇刊，第62卷，第1期，2001年1月”是缝隙天线设计的示例。但是，将馈电元件置于辐射器元件上方是不期望的，因为这样做会对辐射特性带来影响。“Design of a WidebandDual-Polarized Cavity Backed Slot Antenna，Rajesh C Paryani，博士论文，2010年”是缝隙天线的另一个示例，这种缝隙天线在辐射器元件上方具有双馈电元件，从而产生两个谐振。这种缝隙天线设计对公差极其敏感，因为馈电元件必须非常地精确。
在几种缝隙天线设计中，馈电元件位于空腔内。然而，这些设计中的某些设计是窄带的(高达6％10dB带宽)。“Bandwidth Enhancement of Cavity-Backed Slot AntennaUsing a Via-Hole Above the Slot，Sumin Yun，Dong-Yeon Kim，IEEE天线和无线传播快报，第11卷，2012年；”以及“Planar Slot Antenna Backed by Substrate IntegratedWaveguide Cavity，Guo Qing Luo，IEEE天线和无线传播快报，第7卷，2008年”是窄带缝隙天线的示例。虽然可以将某些缝隙天线设计成宽带化，但它们仍具有其他不期望的特性。例如，在“Cavity-backed wide slot antenna，J.Horokawa，IEEE会刊，第136卷，1989年”中，辐射特性是不期望的，因为辐射方向图在主平面(即在E平面中和在H平面中)具有非常不相等的波束宽度。
“Design of a Broadband Cavity-Backed Multislot Antenna，Jing-yu Yang，国际天线与传播研讨会(ISAP)会刊，第01卷，2013年”是缝隙天线的另一种宽带设计，其中馈电元件位于空腔内部。然而，由于天线元件的尺寸为一到两个波长(在带宽上)，因此，天线元件并不适合在相邻天线元件之间的典型间距为0.5到0.6个波长的天线阵列中使用。
发明内容
本发明的一方面描述了一种天线元件，该天线元件包括具有基座和导电板的壳体。壳体具有在基座与导电板之间形成的空腔。空腔在壳体的上边缘处耦合到导电板。导电板具有辐射缝隙，该辐射缝隙的长度和宽度分别沿着第一轴和第二轴纵向地延伸。缝隙沿着第一轴具有第一边缘和第二边缘。天线元件包括具有馈电点、馈电线和短截线的馈电元件。馈电元件位于空腔中的基座与导电板之间的第一预定距离处，以实现双谐振频率阻抗匹配。馈电线沿着导电板的第二轴延伸跨过辐射缝隙的宽度，使得馈电线的第一端与辐射缝隙的邻近辐射缝隙的第一边缘的一侧上的馈电点耦合并且馈电线的第二端延伸超过辐射缝隙的第二边缘，并且短截线在馈电线的横向上延伸。
各种实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。天线元件还可以包括两条或多条短截线，该两条或多条短截线中的每条短截线都在相应的距离处耦合到馈电线，并且位于馈电线的第一端与辐射缝隙的第一边缘之间。
天线元件，其中通过使用将导电板与形成壳体的基座的接地平面相连的通孔，形成壳体的壁。
天线元件，其中第一预定距离在基座与导电板的中间。
天线元件，其中馈电元件是有源馈电元件，并且馈电线是有源馈电线并将通过馈电点与信号源耦合，并且其中天线元件还包括：与信号源不耦合的无源馈电元件，该无源馈电元件包括位于辐射缝隙的远离有源馈电元件的相对端处的无源馈电线，该无源馈电线延伸跨过辐射缝隙，使得带有无源馈电元件的无源馈电线的第一端延伸超过辐射缝隙的第二边缘，而无源馈电线的第二端延伸超过辐射缝隙的第一边缘。
天线元件，其中无源馈电元件还包括在无源馈电线的横向上延伸的无源短截线。
天线元件，其中辐射缝隙是第一辐射缝隙，并且导电板限定与第一辐射缝隙成直角的第二辐射缝隙，以实现双极化背腔式缝隙天线元件，该第二辐射缝隙沿着第二轴具有第一边缘和第二边缘，该天线元件还包括具有馈电点、馈电线和短截线的第二馈电元件，第二辐射缝隙的第二馈电元件位于空腔中的基座与导电板之间的第一预定距离处，第二辐射缝隙的馈电线沿着导电板的第一轴延伸跨过第二辐射缝隙的宽度，使得第二辐射缝隙的馈电线的第一端与第二辐射缝隙的邻近第二辐射缝隙的一个边缘的一侧上的第二辐射缝隙的馈电点耦合并且馈电线的第二端延伸超过第二辐射缝隙的另一边缘，并且第二馈电线的短截线在第二馈电线的横向上延伸。天线元件，其中短截线在馈电线的横向上延伸，短截线的第一部分与馈电线垂直并且短截线的第二部分与馈电线平行。天线元件，其中所述壳体中的空腔形成在基座、导电板和多个间隔开的通孔之间，该多个通孔在基座与导电板之间延伸以形成空腔壁。
天线元件，其中通孔以小于或等于天线元件的工作频率的0.1个波长的距离间隔开。
天线元件，其中空腔具有八角形、圆形和矩形中的至少一种形状。
天线元件，其中天线元件实现为多层印刷电路板(PCB)结构。天线元件，其中馈电元件是位于导电板与接地平面之间的层中的带状线。天线元件，其中辐射缝隙的形状为凹形双对称六边形、梯形、矩形、凸多边形中的至少一种。
附图说明
通过参考以下描述和用于示出本发明实施例的附图，可以最好地理解本发明。在附图中：
图1A示出了根据本发明实施例的单极化天线元件的俯视图；
图1B示出了根据本发明实施例的单极化天线元件的侧视图；
图1C示出了根据本发明实施例的单极化天线元件的立视图；
图2示出了与天线元件的示例性实施例相关联的回波损耗的示例性仿真结果；
图3A示出了与单极化天线元件的示例性实施例相关联的在26GHz频率处的辐射方向图的示例性仿真结果；
图3B示出了与单极化天线元件的示例性实施例相关联的在27.66GHz频率处的辐射方向图的示例性仿真结果；
图4示出了根据本发明实施例的单极化天线元件的俯视图；
图5示出了根据本发明实施例的单极化天线元件的俯视图；
图6示出了根据本发明实施例的双极化天线元件的俯视图；
图7示出了与天线元件的示例性实施例相关联的回波损耗的示例性仿真结果；
图8示出了根据本发明实施例的双极化天线元件的俯视图；
图9A示出了根据本发明实施例的双极化天线元件的俯视图；
图9B示出了与双极化天线元件的示例性实施例相关联的回波损耗的示例性仿真结果；并且
图10示出了根据本发明实施例的双极化天线元件的俯视图。
具体实施方式
下面的描述描绘了单极化和双极化双谐振背腔式缝隙天线(D-CBSA)元件。在下面的描述中，阐述了许多具体的细节，以便提供对本发明的更透彻的理解。然而，本领域的技术人员将理解的是，可以在没有这样的具体细节的情况下实践本发明。借助于所包括的描述，本领域普通技术人员将能够实现适当的功能，而无需进行过度的实验。
在说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等的引述是表示所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括该特定的特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定是指同一个实施例。此外，当结合实施例来描述特定的特征、结构或特性时，可以认为，无论是否明确地进行描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内。
在此可以使用带有虚线边框(例如，大虚线、小虚线、点划线和点)的括号内文本和方框来示出向本发明实施例添加附加特征的可选操作。然而，这样的标记不应该被认为是指：这些是唯一的选项或可选操作，和/或在本发明的某些实施例中，带有实线边框的方框不是可选的。
在以下的描述和权利要求中，可以采用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应该理解的是，这些术语并不旨在彼此为同义词。“耦合”用于表示彼此之间可以或者可以不直接物理或电气接触、协作或交互的两个或多个元件。“连接”用于表示彼此耦合的两个或多个元件之间通信的建立。
通常，天线元件包括电连接到接收器或发射器的组件布置。天线元件可以是可操作以发射无线电波(即电磁场波)的无线电波发射单元的一部分。被发射器经由馈电点迫使通过天线元件的电子的振荡电流在天线元件的组件周围形成振荡磁场。与此同时，电子的电荷还沿着组件形成振荡电场。这些随时间变化的场作为移动的横向电磁场波从天线元件辐射到空间中去。相反，天线元件可以是可操作以接收无线电波的无线电波接收单元的一部分。在接收期间，入射无线电波的振荡电场和磁场将力施加到天线元件组件中的电子上。此力使电子来回地移动，由此在天线元件中产生振荡电流，而振荡电流是经由馈电元件收集的。这些电流被馈送到接收器以进行放大。
本文公开的实施例涉及缝隙天线。此外，尽管下面描述中的一部分是参考了作为无线电波发射单元的一部分的天线元件来提供的，但是本领域技术人员将容易地理解所描述的概念适用于作为无线电波接收单元的一部分的天线元件。
描述了单极化和双极化双谐振背腔式缝隙天线(D-CBSA)元件的实施例。在一些实施例中，该天线元件包括具有基座和导电板的壳体。壳体具有在基座与导电板之间形成的空腔。空腔在壳体的上边缘处耦合到导电板。导电板具有辐射缝隙，该辐射缝隙的长度和宽度分别沿着第一轴和第二轴纵向地延伸。缝隙沿着第一轴具有第一边缘和第二边缘。天线元件包括具有馈电点、馈电线和短截线的馈电元件。馈电元件位于空腔中的基座与导电板之间的第一预定距离处，以实现双谐振频率阻抗匹配。馈电线沿着导电板的第二轴延伸跨过辐射缝隙的宽度，使得馈电线的第一端与辐射缝隙的邻近辐射缝隙的第一边缘的一侧上的馈电点耦合并且馈电线的第二端延伸超过辐射缝隙的第二边缘，并且短截线在馈电线的横向上延伸。
在本文描述的实施例中，天线元件的馈电元件位于空腔内部，同时在辐射缝隙的顶部没有介电材料。因此，与在辐射缝隙的顶部具有馈电元件的现有缝隙天线完全不同的是，本实施例不会面临表面波及反射波问题。此外，通过在两个谐振频率处实现匹配来增加天线元件的带宽。通过位于空腔内部的并且包括延伸跨过辐射缝隙的馈电线以及短截线的馈电元件来实现双频匹配。特别地，馈电线超过辐射缝隙的延伸用作调谐短截线，并且以第一谐振频率激励缝隙。此外，与已知的现有技术缝隙天线设计相反，作为馈电元件一部分的短截线允许在第二谐振频率处进行阻抗匹配。另外，短截线(其可以被称为匹配短截线)位于空腔内部，从而使相关元件尺寸和损耗最小化，并且还使匹配带宽最大化。一些实施例具有带差分馈电结构的双极化辐射缝隙(即，包括两个分开的馈电元件)。在一些实施例中，天线元件可以包括有源和无源馈电元件。在一些实施例中，天线元件具有大于11％的带宽(在10dB回波损耗处)。
如将在下面进一步详细讨论的，当与现有的缝隙天线相比时，本文描述的天线元件的实施例呈现若干优点。例如，由于在缝隙辐射器的顶部省去了介电材料(这样做确保不存在表面波和反射波)，因而避免了扫描盲区。各个实施例的天线元件实现了较大的阻抗带宽(例如，在10dB回波损耗处为11％)，同时在该带宽上，表现良好的辐射方向图在E平面和H平面中具有相似的波束宽度。
图1A至图1C示出了根据本发明实施例的单极化双谐振背腔式缝隙天线(D-CBSA)的各个视图。图1A示出了天线元件100的俯视图；图1B示出了天线元件100的侧视图；而图1C示出了天线元件100的立视图。
天线元件100包括导电板104、壳体108和馈电元件110。导电板104具有第一轴X和第二轴Y。导电板104限定辐射缝隙106，该辐射缝隙106具有沿着第一轴X纵向延伸的长度Ls和沿着第二轴Y横向延伸的宽度Ws。辐射缝隙106是导电板104中的开口。辐射缝隙106沿着第一轴X具有第一边缘106A和第二边缘106B。辐射缝隙沿着第二轴Y具有第三边缘106C和第四边缘106D。虽然辐射缝隙是被示为导电板104中的矩形开口，但是在其他实施例中，辐射缝隙可以具有不同的形状(例如，可以采用凹形双对称六边形(蝶形领结)、梯形、凸多边形(如凸八边形)、圆形或其他形状)。第一边缘106A与第二边缘106B之间的距离是缝隙的宽度Ws。第三边缘106C与第四边缘106D之间的距离是缝隙的长度Ls。
壳体108具有形成在其中的空腔109A。壳体108由壁109B和基座112形成。导电板104在壳体108的上边缘处(例如，在壁109B的上边缘处)耦合到壳体。空腔具有Lcx长度(在X轴方向上)和Lcy宽度(在Y轴方向上)和Hcz高度(在Z轴方向上)。馈电元件110位于空腔109A中的距导电板的第一预定距离hb处和距壳体108的基座112的第二预定距离ha处，以实现双频阻抗匹配。在一些实施例中，馈电元件110位于缝隙高度的中心(即，距离hb等于或大体上等于距离ha)。馈电元件110包括馈电线110A，其沿着导电板104的第二轴Y延伸并跨过辐射缝隙106，使得馈电线110A的第一端111A与在一侧的或在辐射缝隙106的第一边缘106A之前的馈电点110C耦合，并且在另一侧的馈电线110A的第二端延伸超过辐射缝隙106的第二边缘106B。偏移位置Lf表示馈电线110A相对于辐射缝隙106的第四边缘106D的位置。长度Lm表示馈电线110A的延伸超过辐射缝隙106的第二边缘106B的一部分的长度。
馈电元件110包括从馈电线110A横向延伸的短截线110B。在一些实施例中，短截线110B在馈电线的第一端111A与辐射缝隙106的第一边缘106A之间的位置处与馈电线110A耦合。从短截线到辐射缝隙的第一边缘106A的距离被定义为Lao。在其他实施例中，在没有脱离本发明的范围的前提下，短截线110B在与图1A至图1C所示的位置不同的其他位置处耦合到馈电线110A。尽管短截线110B被示出为沿着X轴位于馈电线110A的一侧上并且位于与馈电线110A相同的平面上，但是在其他实施例中，短截线110B可以位于不同的位置和平面。在一些实施例中，短截线可以位于馈电线的下方或上方(即，不在同一平面内)，并通过通孔连接到馈电线。例如，当天线元件是PCB结构时，短截线可以位于与馈电线所在的层不同的另一层(例如，位于馈电线的层之下或下方的层)。在一些实施例中，短截线也可以倾斜到馈电线(即，与馈电线形成不同于90度的角度)。在一些实施例中，短截线可以位于馈电线的任一侧(正x方向或负x方向)上。
在操作中，馈电元件110允许经由馈电点110C将振荡电流耦合到天线元件100。当天线元件100是发射单元的一部分时，馈电元件110是天线元件的通过馈电点从发射器(未示出)接收振荡电流并将其馈送到天线结构的其余部分(例如，空腔和辐射缝隙)的组件。在这些实施例中，天线元件将用作无线电波发射单元的一部分，并且馈电元件将通过馈电点110C将从发射器接收的射频电流馈送到空腔和辐射缝隙，以作为无线电波辐射。当天线元件100是接收单元的一部分时，馈电元件110是收集入射无线电波，将无线电波转换成电流并将电流发射到接收器(未示出)的组件。在这些实施例中，天线元件将操作为无线电波接收单元的一部分，馈电元件110将空腔和辐射缝隙中的无线电波转换为射频电流，以通过馈电点110C发射到接收器。
除了馈电元件110之外，天线元件100还包括反射和定向结构，在此表示为空腔109A和辐射缝隙106，它们的功能是将来自馈源的无线电波形成为波束或其他期望的辐射方向图。空腔109A用于两个主要目的。它降低了表面波传播的可能性，并产生了无线电波的单向辐射方向图。空腔中具有低损耗的介电PCB材料。介电材料的相对介电常数值会影响元件的谐振频率和尺寸。也可以用作空腔109A的接地平面的基座112消除了背面辐射。
天线元件100所辐射的电磁波的中心频率主要由缝隙长度Ls以及空腔尺寸Lcx和Lcy和空腔中的介电材料的相对介电常数确定。馈电线110A的宽度Wm和高度ha确定跨过辐射缝隙106的馈电线110A的阻抗Zm。通过选择适当的偏移位置Lf，使得馈电线的阻抗Zm与缝隙阻抗匹配。参数Lm、La和Lao以及Lf确定谐振频率之间的间距并在这些谐振频率处实现阻抗匹配。在将馈电元件110置于空腔高度的中心(即沿着Z轴)的实施例中，天线元件的特性(例如，天线元件的阻抗和辐射方向图)对馈电元件110参数的敏感性被降低。因此，当将馈电元件放置在空腔高度的大约一半处时，所提出的天线元件对组件的制造公差变化就不那么敏感。
在操作中，馈电线110A的延伸超过辐射缝隙106的边缘106B的延伸部分用作调谐短截线，并以第一谐振频率激励辐射缝隙106。此外，与已知的现有技术缝隙天线设计相反，作为馈电元件110一部分的短截线110B允许在第二谐振频率处进行阻抗匹配。匹配短截线110B位于空腔内部，从而使损耗最小化，并且还使匹配带宽最大化。可以通过为天线元件的不同组件选择适当的参数(例如，缝隙、空腔和馈电元件的参数)来确定天线元件的中心工作频率。在天线元件100所发射的无线电波的示例中，中心频率可以是27GHz或28GHz，带宽为11％。
图2示出了与天线元件的示例性实施例相关联的回波损耗的示例性仿真结果。曲线图200示出了图1A至图1C的单极化天线元件100的回波损耗的仿真。
回波损耗是对天线元件的阻抗匹配特性的测量值。匹配不良的天线将会反射那些无法用于发射或用于辐射能量而最终却会到达发射器的RF能量。返回到发射器的能量会使信号失真，并影响发射功率的效率和天线的覆盖范围。图2中示出了以分贝(dB)为单位(轴203)测量的回波损耗202，其是以千兆赫兹(GHz)为单位(轴201)测量的频率的函数。当天线元件被设计为具有最佳参数(其中，天线元件的中心频率为27GHz)时，实现了所示出的回波损耗202。例如，以下测量值可以用于天线元件的不同组件：Lf＝600um，Lm＝230um，La＝1130um，Wm＝128um，Ls＝4100um，Ws＝900um，Lcx＝4300um，Lao＝436um，Wi＝450um，ha＝437um，hb＝508um，和Hcz＝962um(um是指微米)。这些测量值仅旨在是示例性的，而不是限制性的。可以在F1和F2处看到天线元件的两个谐振频率。点m1、m2和m3示出了实现-10dB回波损耗的频率。
在一些实施例中，选择沿着y轴测量的缝隙宽度来控制辐射方向图表现(例如，辐射方向图的带宽和对称性)，特别是选择缝隙的宽度来实现辐射方向图中增加的对称性。在现有技术的天线元件设计中，较宽的辐射缝隙能实现较宽的带宽，然而，缝隙太宽也会导致辐射方向图的不对称。通过在两个谐振频率处进行匹配，本发明的实施例允许选择不那么宽的缝隙来获得与在现有技术设计中利用较宽缝隙所获得的带宽相同的带宽，同时仍保持辐射方向图的对称性。相比之下，缝隙天线元件的现有技术设计将需要更宽的缝隙来获得辐射方向图的相同带宽，从而导致了辐射方向图的不对称。因此，与现有的缝隙天线设计相比，本文提出的实施例呈现明显的优点。
图3A示出了与单极化天线元件的示例性实施例相关联的辐射方向图的示例性仿真结果。例如，图3A示出了作为空间的函数(例如，作为以度为单位测量的角度θ的函数)的天线的辐射性质的图形表示。曲线301A、302A、303A和304A示出了当以26GHz的中心频率辐射时如本发明所定义的单极化天线元件(例如，天线元件100)的四个角切口(例如，分别是Phi＝0度，Phi＝45度，Phi＝90度和Phi＝135度)中的辐射方向图。曲线301A至304A描述了天线如何将能量向外辐射到空间中。这些曲线示出了天线元件100在不同的平面中具有通常表现良好的辐射方向图。
图3B示出了与单极化天线元件的示例性实施例相关联的辐射方向图的示例性仿真结果。例如，图3B示出了作为空间的函数(例如，作为以度为单位测量的角度θ的函数)的天线的辐射性质的图形表示。曲线301B、302B、303B和304B示出了在27.66GHz的中心频率处如本发明所定义的单极化天线元件(例如，天线元件100)的四个角切口(例如，分别是Phi＝0度，Phi＝45度，Phi＝90度和Phi＝135度)中的辐射方向。曲线301B至304B描述了天线如何将能量向外辐射到空间中。这些曲线示出了天线元件100在以27.66GHz的中心频率辐射时具有通常表现良好的方向图。如图3A至图3B所示，本发明的实施例呈现了辐射方向图表现良好且在不同的辐射平面中具有相似的波束宽度的天线元件。
图4示出了根据本发明另一实施例的天线元件的俯视图。天线元件400是通过多层印刷电路板(PCB)结构实现的单极化背腔式缝隙天线。天线元件400的壳体具有带接地平面的基座(未示出)、上接地平面或导电板404，并且包括耦合到下接地平面的多行(行407A、行407B、行407C和行407D)通孔。通孔连接上接地平面和下接地平面(例如，限定出辐射缝隙406的上接地平面404)。在本实施例中，通孔407代替了壳体(108，见图1)的腔壁。通常，在最高频率处，通孔的间隔距离小于或等于0.1个波长。下接地平面和上接地平面是导电板。出于描述和参考附图的目的，下接地平面有时被称为基座。在一些实施例中，导电板由铜材料制成，并且空腔是两个导电板之间的介电材料。辐射缝隙406蚀刻在上接地平面404处。馈电元件410是位于PCB结构的中间层中的带状线。
天线元件400的馈电元件410包括馈电线410A、短截线410B和馈电点410C。馈电元件410位于空腔中的距导电板的第一预定距离处和距下接地平面(即壳体的基座)的第二预定距离处。馈电元件410能通过馈电线410A和和短截线410B实现双频阻抗匹配，该馈电线410A延伸跨过缝隙，并与缝隙的第二边缘406B相距给定距离Lm。在一些实施例中，短截线410B在馈电线的第一端411A与辐射缝隙406的第一边缘406A之间的位置处与馈电线410A耦合，从而限定出了从短截线到辐射缝隙的第一边缘406A的距离Lao。在其他实施例中，在没有脱离本发明的范围的前提下，短截线410B在位于缝隙之外的且与图4所示的位置不同的其他位置处耦合到馈电线410A。在一些实施例中，馈电元件410位于缝隙高度的中心，或者位于基座(图1中的112)或下接地平面与上接地平面404的中间。
图5示出了根据本发明另一实施例的天线元件的俯视图。该备选实施例提供了天线元件500的示例，其中馈电元件510包括多于一个的短截线。馈电元件510包括馈电线510A、馈电点510C以及馈电短截线510B和510D。尽管该示例示出了第一短截线和第二短截线(510B和510D)，但这仅旨在是示例性的。在不脱离本发明范围的前提下，其他实施例可以包括具有不同形状的多条短截线。对于给定带宽，具有多条短截线和/或不同的形状使得能获得增加的带宽和/或改进的回波损耗。另外，短截线的位置可以沿着馈电线变化，并且所示出的位置(例如，图1A至图1C、图4至图6、图8至图9A、图10至图11)仅是示例性的。
图6示出了根据本发明实施例的双极化天线元件的俯视图。天线元件600是双极化天线元件。天线元件600包括彼此成直角的两个辐射缝隙。第一缝隙606垂直于第二缝隙636取向。第一辐射缝隙606沿着X轴纵向延伸，而第二辐射缝隙636沿着垂直于X轴的Y轴纵向延伸。第一辐射缝隙606被第一馈电元件610极化。第二辐射缝隙636被第二馈电元件630极化。
馈电元件610位于空腔内部并包括馈电线610A，馈电线610A沿着导电板604的Y轴延伸并跨过第一辐射缝隙606，使得馈电线610A的第一端611A与辐射缝隙606的第一边缘606A之前的馈电点610C耦合，而馈电线610A的第二端612A位于辐射缝隙606的第二边缘606B之后。第一馈电线610A的延伸超过第一缝隙606的第二边缘606B的部分用作调谐短截线，并以第一谐振频率激励第一辐射缝隙606。第一馈电元件610包括耦合到馈电线610A的第一短截线610B。第一短截线610B允许在第二谐振频率处实现阻抗匹配。在一些实施例中，短截线610B在馈电线的第一端与辐射缝隙606的第一边缘606A之间的位置处与馈电线610A耦合，从而限定出了从短截线到辐射缝隙的第一边缘606A的预定距离。在其他实施例中，在没有脱离本发明的范围的前提下，短截线610B在与图6所示的位置不同的其他位置处耦合到馈电线610A。
第二馈电元件630位于空腔内部并且包括馈电线630A，馈电线630A沿着导电板604的X轴延伸并跨过第二辐射缝隙636，使得第二馈电线630A的第一端631A在辐射缝隙636的第一边缘636A处与馈电点630C耦合，而第二馈电线630A的第二端632A延伸超过辐射缝隙636的第二边缘636B。第二馈电线630A的延伸超过第二辐射缝隙636的第二边缘636B的第二端632A用作调谐短截线，并以第一谐振频率激励第二辐射缝隙636。第二馈电元件630包括耦合到第二馈电线630A的第二短截线630B。在一些实施例中，短截线630B在馈电线630A的第一端631A与第二辐射缝隙636的第一边缘636A之间的位置处与馈电线630A耦合，从而限定出了从短截线到辐射缝隙的第一边缘的距离。在其他实施例中，在没有脱离本发明的范围的前提下，短截线630B在与图6所示的位置不同的位置处耦合到馈电线630A。第二短截线630B允许在第二谐振频率处实现阻抗匹配。在一些实施例中，短截线610B和630B具有L形，也就是说，它们在馈电线的横向上延伸，短截线的第一部分与馈电线垂直，短截线的第二部分与馈电线平行。L形是用来防止短截线端过于靠近缝隙。这示出了可以在天线元件的不同实施例中使用的短截线形状的另一示例。用于双极化天线元件600的短截线610B和630B的示例性L形(或其他形状)也可以用于单极化天线元件的短截线。
图7示出了与双极化天线元件的示例性实施例相关联的回波损耗和端口隔离的示例性仿真结果。在所示示例中，端口隔离在10dB阻抗带宽上大于12dB。
图8示出了根据本发明实施例的双极化天线元件的俯视图。在一些实施例中，由通孔807形成的壳体的形状限定天线元件的空腔。壳体可以采用不同的形状。例如，壳体可以是八边形。这种形状为阵列配置中的多层射频(RF)馈电元件创建了空间，并且可以用于在单个PCB结构中有效地组合多个天线元件。
在背腔式缝隙天线元件中，在辐射频率处可以存在有不辐射任何能量的不想要的谐振。在一些实施例中，可以为天线元件添加间隔部，从而将不想要的谐振移到关注频带之外。添加间隔部812是为了解决这种不想要的谐振。在一些实施例中，间隔部可以是从天线元件的下接地平面延伸(即，从空腔的基座延伸)的通孔。在图8的实施例中，通孔位于彼此垂直布局的第一缝隙和第二缝隙的中心(例如，图8中的元件812)。在其他实施例中，可以将多于一个的通孔添加到第一缝隙806或第二缝隙836，用作为间隔部。
图9A和图10中示出了双极化天线元件的其他实施例。图9A示出了根据一个实施例的具有改进的端口隔离和交叉极化正交性的示例性双极化天线元件。通过在辐射缝隙的与相应的有源馈电元件(910和930)相对的端部处添加无源馈电元件(930和940)，改进了辐射波的场对称性和轴比。与将要连接到信号源的有源馈电元件相反的是，无源馈电元件920和940未连接到任何信号源。图9B示出了就每个端口的端口隔离和回波损耗而言将无源馈电元件添加到天线元件900的结果。双极化无源馈电实施例实现了非常出色的端口隔离和低交叉极化。
图10示出了根据另一实施例的具有改进的端口隔离和交叉极化正交性的示例性双极化天线元件。通过在辐射缝隙的与相应的馈电元件(1010和1030)相对的端部处添加差分馈电的馈电元件(1020和1040)，改进了辐射波的场对称性和轴比。通过使用将馈电元件1010和1030连接到它们各自相对的馈电元件1020和1040的分离器结构(1012和1013)，对附加馈电元件1020和1040进行差分馈电。馈电结构通过输入端口1014(输入端口1)和1015(输入端口2)馈电。双极化差分馈电实施例实现了非常出色的端口隔离和低交叉极化。
在本文描述的实施例中，每个天线元件的馈电元件位于空腔内部，同时在辐射缝隙的顶部没有添加介电材料。因此，与在辐射缝隙的顶部具有馈电元件的现有缝隙天线相反的是，本实施例不会面临表面波及反射波问题。此外，通过在两个谐振频率处实现阻抗匹配来增加每个天线元件的带宽。通过位于空腔内部的并且包括延伸跨过辐射缝隙的馈电线以及短截线的馈电元件来实现双频阻抗匹配。馈电线的超过辐射缝隙的延伸部分用作调谐短截线，并且以第一谐振频率激励缝隙。此外，与已知的现有技术缝隙天线设计相反，作为馈电元件一部分的短截线允许在第二谐振频率处进行阻抗匹配。另外，短截线位于空腔内部，从而使相关元件尺寸和损耗最小化，并且还使阻抗匹配带宽最大化。
如本文所示，当与现有的缝隙天线相比时，天线元件的实施例呈现若干优点。例如，由于在缝隙辐射器的顶部省去了介电材料(这样做确保不存在表面波和反射波)，因而避免了扫描盲区。各个实施例的天线元件实现了较大的阻抗匹配带宽(例如，在10dB回波损耗处为11％)，同时在该带宽上，表现良好的辐射方向图在E平面和H平面中具有相似的波束宽度。
尽管已经结合发射天线元件描述了本发明的实施例，但是其他实施例可以包括其中馈电元件耦合到接收无线电波的接收器的接收天线元件。因此，本发明的实施例并不局限于发射天线元件。
尽管已经根据几个实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到的是，本发明不局限于所描述的实施例，而是可以通过所附权利要求书的精神和范围内的修改和变型来加以实践。因此，该描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (15)

1.一种天线元件，包括：
具有基座(112)和导电板(104)的壳体(108)，所述壳体(108)具有在所述基座与所述导电板之间形成的空腔，所述空腔在所述壳体的上边缘处耦合到所述导电板，所述导电板(104)具有辐射缝隙(106)，所述辐射缝隙的长度和宽度分别沿着第一轴和第二轴纵向地延伸，所述辐射缝隙沿着所述第一轴具有第一边缘(106A)和第二边缘(106B)；以及
具有馈电点(110C)、馈电线(110A)和短截线(110B)的馈电元件110，所述馈电元件位于所述空腔中的所述基座与所述导电板之间的第一预定距离处，以实现双谐振频率阻抗匹配，所述馈电线(110A)沿着所述导电板的所述第二轴延伸跨过所述辐射缝隙(106)的所述宽度，使得所述馈电线(110A)的第一端(111A)与所述辐射缝隙的邻近所述辐射缝隙(106)的所述第一边缘(106A)的一侧上的所述馈电点耦合并且所述馈电线(110A)的第二端(112A)延伸超过所述辐射缝隙(106)的所述第二边缘(106B)，并且所述短截线(110B)在所述馈电线(110A)的横向上延伸。
2.根据权利要求1所述的天线元件，其中所述天线元件还包括两条或多条短截线，所述两条或多条短截线中的每条短截线都在相应的距离处耦合到所述馈电线，并且位于所述馈电线的所述第一端与所述辐射缝隙的所述第一边缘之间。
3.根据权利要求1或2所述的天线元件，其中通过使用将所述导电板与形成所述壳体的所述基座的接地平面相连的通孔，形成所述壳体的壁。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线元件，其中所述第一预定距离在所述基座与所述导电板的中间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线元件，其中所述馈电元件是有源馈电元件，并且所述馈电线是有源馈电线并通过所述馈电点与信号源耦合，并且其中所述天线元件还包括：
与信号源不耦合的无源馈电元件，所述无源馈电元件包括位于所述辐射缝隙的远离所述有源馈电元件的相对端处的无源馈电线，所述无源馈电线延伸跨过所述辐射缝隙，使得带有所述无源馈电元件的所述无源馈电线的第一端延伸超过所述辐射缝隙的所述第二边缘，而所述无源馈电线的第二端延伸超过所述辐射缝隙的所述第一边缘。
6.根据权利要求5所述的天线元件，其中所述无源馈电元件还包括在所述无源馈电线的横向上延伸的无源短截线。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的天线元件，其中所述辐射缝隙是第一辐射缝隙，并且所述导电板限定与所述第一辐射缝隙成直角的第二辐射缝隙，以实现双极化背腔式缝隙天线元件，所述第二辐射缝隙沿着所述第二轴具有第一边缘和第二边缘，所述天线元件还包括：
具有馈电点、馈电线和短截线的第二馈电元件，所述第二辐射缝隙的所述第二馈电元件位于所述空腔中的所述基座与所述导电板之间的第一预定距离处，所述第二辐射缝隙的所述馈电线沿着所述导电板的所述第一轴延伸跨过所述第二辐射缝隙的所述宽度，使得所述第二辐射缝隙的所述馈电线的第一端与所述第二辐射缝隙的邻近所述第二辐射缝隙的一个边缘的一侧上的所述馈电点耦合并且所述馈电线的第二端延伸超过所述第二辐射缝隙的另一边缘，并且所述第二馈电线的所述短截线在所述第二馈电线的横向上延伸。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的天线元件，其中所述短截线在所述馈电线的横向上延伸，所述短截线的第一部分与所述馈电线垂直并且所述短截线的第二部分与所述馈电线平行。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的天线元件，其中所述壳体中的所述空腔形成在所述基座、所述导电板和多个间隔开的通孔之间，所述多个间隔开的通孔在所述基座与所述导电板之间延伸以形成空腔壁。
10.根据权利要求9所述的天线元件，其中所述通孔以小于或等于所述天线元件的工作频率的0.1个波长的距离间隔开。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的天线元件，其中所述空腔具有八角形、圆形和矩形中的至少一种形状。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的天线元件，其中所述天线元件实现为多层印刷电路板PCB结构。
13.根据权利要求12所述的天线元件，其中所述馈电元件是位于所述导电板与接地平面之间的层中的带状线。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的天线元件，其中所述空腔由介电材料形成。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的天线元件，其中所述辐射缝隙的形状为凹形双对称六边形、梯形、矩形、凸多边形中的至少一种。
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